3种晶型淀粉与月桂酸复合对其抗老化特性的影响

解明昱， 李安平， 李冬阳， 肖建萍

(中南林业科技大学；工程流变学湖南省重点实验室，长沙 410004)

糊化的淀粉基食品在储藏或流通过程中会发生老化，包括短期老化和长期老化。短期老化主要是直链淀粉重结晶[1]，发生在储藏初期。长期老化则是由支链淀粉[2]相互聚集引起，因为支链淀粉的高度分支结构导致其空间位阻较大，故长期老化发生在储藏后期且持续时间较长。淀粉老化后，淀粉基食品保水能力降低，变硬、变干，质地粗糙，感官品质恶化，因此，有关延缓糊化淀粉基食品老化的物理改性方法一直是研究的热点。

提高淀粉抗老化的方法有化学改性、酶改性及物理改性[3-5]。Adebowale等[6]研究结果表明淀粉乙酰化或氧化淀粉等化学改性方法均能降低天然淀粉的回生焓[7]，但其安全性受到质疑。Nguyen等[8]研究证实苎麻叶中的β-淀粉酶可显著降低4 ℃条件下储藏48 h时淀粉基食品的回生速率，但酶改性法增加了工艺的复杂程度和生产成本。物理改性包括使用热、机械力、物理场等手段对淀粉进行处理。物理改性的安全性较高，是淀粉抗老化研究的主要方向。Prakaywatchara等[9]发现添加甘油或甘油与乳化剂联合使用均可降低米粉的回生焓，延缓其老化。Yu等[10]研究表明淀粉中添加硬脂酸和海藻酸钠均可显著提高淀粉的抗老化特性，且二者复配使用效果更佳。

淀粉和脂肪酸均是人体所需营养素，目前的研究常利用二者的相互作用、通过不同的手段将其结合，形成淀粉-脂肪酸复合物，提升淀粉的功能特性，扩大淀粉的应用范围。本研究则将淀粉和脂肪酸通过高速剪切乳化形成复合物，安全性较高，且以3种天然晶型淀粉(A型、B型和C型)为研究对象，比较其糊化后与月桂酸形成的复合物在短期和长期抗老化性能的变化规律，以期为不同种类淀粉的深加工提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

玉米淀粉(A型)、马铃薯淀粉(B型)：食品级；锥栗淀粉(C型)：自制；月桂酸：食品级；氢氧化钠、无水乙醇、溴化钾：分析纯。

1.2 仪器与设备

FD5-4型真空冷冻干燥机，DHR-2型流变仪，TA-XT Plus型质构仪，DSC Q2000差示扫描量热仪，IRTracer-100型傅里叶红外光谱仪，Empyrean锐影X射线仪。

1.3 方法

1.3.1 锥栗淀粉的制备

将新鲜栗仁与0.2% NaOH溶液按料液比为1∶5混合，组织捣碎机破碎，静置24 h后除去上层黏液层，用超纯水反复洗涤沉淀物并分别过100、200和300目筛，滤液离心后收集底层白色沉淀，依次用水和95%乙醇溶液洗涤，所得沉淀物于40 ℃烘箱干燥48 h，研磨过筛，即得锥栗淀粉。

1.3.2 样品的制备

分别称取3种晶型原淀粉与月桂酸按质量比为97∶3混匀，取3 g混合物于RVA仪器的专用铝盒中，加入25 mL纯水，搅拌均匀形成淀粉悬浮液，然后于RVA仪器中糊化。RVA 程序设置： 50 ℃保持1 min；经过 3.75 min 后升温至 95 ℃，保温 2.5 min，经过 3.75 min 降温至 50 ℃，之后保持 1 min。RVA糊化程序结束后得到淀粉-月桂酸复合物(Starch -Fatty Acid Complex，SF)，玉米淀粉、马铃薯淀粉和锥栗淀粉的复合物分别记为ASF、BSF、CSF，不添加月桂酸的原淀粉糊化后的淀粉糊化物(Gelatinized Starch，GS)分别记为AGS、BGS、CGS。

参考刘成梅等[11]方法，并做部分改动。样品制备后立即转移至流变仪上测定，此为短期老化特征值。样品制备后在4 ℃条件下分别储藏1、7、14 d后测定，此为长期老化特征值。3种晶型淀粉糊化后储藏1、7、14 d后的长期老化样品测定值分别记为AGS1、AGS7、AGS14，BGS1、BGS7、BGS14，CGS1、CGS7、CGS14，3种晶型淀粉-月桂酸复合物储藏1、7、14 d后的长期老化样品分别记为ASF1、ASF7、ASF14，BSF1、BSF7、BSF14，CSF1、CSF7、CSF14。

1.3.3 流变特性测定

将3种晶型淀粉糊化物和与月桂酸的复合物样品立即转移至流变仪上测定，获得样品流变特征值。流变特性测定[12]：板间距为1 mm，溢出样品剔除，用硅油密封，然后在淀粉的线性黏弹区对样品进行动态时间扫描，测量4 ℃温度下0～2 h内样品的损耗模量(G″)与储能模量(G′)。G′(t)和G′(0)分别为储能模量的瞬时值和初始值，损耗角正切值tanδ=G″/G′。

1.3.4 凝胶硬度测定

将样品在4 ℃条件下储藏1、7、14 d的长期老化淀粉凝胶切割成形状相同的小块，用TA-XT Plus型质构仪测定其硬度。样品测定参数设定：TPA模式，P/0.5探头，测试速度为1.0 mm/s，压缩程度为40%。

1.3.5 热力学性质测定

将样品在4 ℃条件下储藏1、7、14 d的长期老化淀粉凝胶真空冷冻干燥，得粉末样品。称取3 mg样品装入DSC铝盒中，按样品与水的质量比1∶3加入超纯水，用压片机密封铝盒，室温平衡12 h。测定时以空铝盒为参比，参数设置：扫描温度范围30～130 ℃，升温速率10 ℃/min。用TA Universal Analysis软件计算出样品吸热峰的峰值温度(Tp)和焓值(ΔH)。

1.3.6 红外光谱扫描

将按1.3.5中方法制备的粉末样品和干燥至恒重的溴化钾粉末以质量比1∶100比例混合均匀，充分研磨后压片，对样品进行红外光谱扫描。光谱范围为4 000～400 cm-1，扫描次数为64，分辨率为4 cm-1。用OMNIC 9.2版软件进行基线校准并去卷积，去卷积范围为1 200～800 cm-1，设置半峰宽和增强因子，计算1 047和1 022 cm-1附近处的峰高比值。

1.3.7 X-射线衍射

测试条件：采用Cu-Ka射线，管压40 kV，管流40 mA，扫描区域为2θ=4°～40°，扫描速率5(°)/min。用Jade 6.0软件计算样品的相对结晶度。

1.4 数据与统计分析

所有试验均重复3次，数据以平均值±标准偏差表示。采用SPSS 22软件中的One-way ANOVA对实验数据进行差异显著性分析(P<0.05)，Origin 2018软件作图。

2 结果与分析

2.1 3种晶型淀粉与月桂酸复合的流变特性

储能模量(G′)的变化是监测淀粉老化进程的重要指标。G′(t)和G′(0)分别代表储能模量的瞬时值和初始值，其比值反应了淀粉的老化速度。玉米淀粉(A型)、马铃薯淀粉(B型)和锥栗淀粉(C型)等3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物2 h内随时间变化的G′(t)/ G′(0)值变化见图1，tanδ值变化见图2。

由图1可知，3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物的G′(t)/G′(0)值在2 h内均随扫描时间的延长而增大，但复合物的值显著小于对应的淀粉糊化物的值(P<0.05)。这表明无论是否与月桂酸复合，3种晶型淀粉糊化物2 h内都发生快速老化，而淀粉-月桂酸复合物短期回生更慢。这与Li等[12]在研究海藻酸钠对玉米淀粉回生特性影响时所得实验结果一致。淀粉糊化后的直链淀粉相互间以氢键快速缔结，进行重结晶[13]，使得凝胶弹性增强，因此所有样品的G′(t)/ G′(0)值都增大[12]，均出现短期回生。短链脂肪酸与糊化解旋的直链淀粉在外力作用下通过氢键和范德华力结合，脂肪酸嵌入淀粉螺旋结构中，可防止水分外溢，不利于弹性凝胶形成，淀粉短期老化延缓。

由图2可看出，3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物的的tanδ值均小于0.3，且在2 h内均随扫描时间的延长而降低。这表明储能模量(G′)远大于损耗模量(G″)，淀粉糊化后黏性成分逐渐减少，弹性成分增加，主要发生弹性形变，材料呈固态。Chen等[14]在研究大米淀粉时也得出了相似实验结果。玉米淀粉和锥栗淀粉糊化后与月桂酸形成的复合物的tanδ值高于对应淀粉的糊化物，说明与月桂酸复合对短期老化有抑制作用。这与G′(t)/G′(0)变化规律相一致。但马铃薯淀粉与月桂酸形成的复合物的tanδ值却低于对应淀粉的糊化物。这可能是马铃薯淀粉的聚合度高，支链淀粉结合了大量磷酸基团，因此BGS黏度大，tanδ值最高。但复合后，月桂酸干扰了磷酸基团与淀粉分子和水分子之间的相互作用，进而降低体系黏度，因此BSF的tanδ值较BGS更低。

图1 3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物随时间变化的G′(t)/G′(0)值

图2 3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物随时间变化的tanδ值

2.2 3种晶型淀粉与月桂酸复合的热力学性质

3种晶型淀粉形成的糊化物和淀粉-月桂酸复合物储藏一段时间后的热力学曲线见图3，回生热力学参数见表1。根据图3可见，3种晶型淀粉的淀粉-月桂酸复合物分别在40～45 ℃(峰Ⅰ)、50～65 ℃(峰Ⅱ)、95～105 ℃(峰Ⅲ)和110～120 ℃(峰Ⅳ)处出现吸热峰，而淀粉糊化物则只在50～65 ℃(峰Ⅱ)和95～105 ℃(峰Ⅲ)处出现吸热峰。峰Ⅰ对应于游离月桂酸的熔融峰，峰Ⅱ对应于支链淀粉重结晶的熔融峰[10,15-17]，峰Ⅲ和峰Ⅳ均为复合物的熔融峰[10,15,17]。与对应的淀粉糊化物相比，复合物的热力学曲线中除增加了峰Ⅰ(游离月桂酸的熔融峰)外，还增加了峰Ⅳ，表明复合物中形成了新的复合物。

表1可知，当储藏时间从1 d增加到14 d时，3种晶型淀粉的糊化物和对应淀粉-月桂酸复合物于峰Ⅱ处的熔融焓ΔH均显著增大(P<0.05)。这说明此3种晶型淀粉糊化物和复合物随着储藏时间延长，支链淀粉重结晶增多，淀粉老化。相同储藏时间的3种晶型淀粉的糊化物于峰Ⅱ处的熔融焓ΔH显著高于对应的淀粉-月桂酸复合物(P<0.05)。这说明淀粉与月桂酸复合后抑制了支链淀粉的重结晶，延缓了淀粉的长期老化。Arik等[15]实验也有类似结果。之所以与月桂酸复合会对淀粉长期老化产生影响，可能是由于直链淀粉与月桂酸复合后延缓了直链淀粉的重聚，支链淀粉回生所需的晶核数量减少，从而抑制了支链淀粉的重聚和结晶[18]，延缓了淀粉的老化。

图3 储藏时间对3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物回生热力学曲线的影响

表1 储藏时间对3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物回生热力学参数的影响

2.3 3种晶型淀粉与月桂酸复合的凝胶硬度

糊化淀粉在冷却和储藏过程中，直链淀粉和支链淀粉通过氢键重聚，从无序状态逐渐恢复到有序状态，淀粉糊形成凝胶。凝胶硬度一定程度上反映了淀粉的老化程度[19，20]。玉米淀粉、马铃薯淀粉和锥栗淀粉等3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物在4 ℃条件下储存1、7、14 d后，各样品的凝胶硬度如图4所示。所有样品的凝胶硬度在1、7、14 d 3个时间段均随储藏时间增加而显著增大(P<0.05)，也即所有样品随储藏时间增加发生老化。3种晶型淀粉的糊化物在相同储存期的凝胶硬度由高到低依次为：玉米淀粉、锥栗淀粉和马铃薯淀粉。相同储藏时间，3种晶型淀粉与月桂酸复合后的凝胶硬度均显著小于对应的淀粉糊化物(P<0.05)。储存14 d时，玉米淀粉、马铃薯淀粉和锥栗淀粉形成的淀粉-月桂酸复合物与对应淀粉糊化物相比，硬度分别下降了408、169、360 g。这与Zhang等[20]和Morikawa等[21]的实验结果基本一致。月桂酸与淀粉的复合就是在淀粉双螺旋结构的连接点之间嵌入月桂酸[22]。嵌入月桂酸增大了淀粉凝胶连接点间的距离，减少了聚集密度，因此淀粉凝胶硬度降低。马铃薯淀粉复合后硬度降低小，可能是由于马铃薯淀粉分支结构复杂、粒径较大，与月桂酸形成的复合物较少，因此对老化影响小。这一点与表1中峰I处未复合的游离月桂酸的吸热焓值大小变化规律相一致。

注：不同字母表示相同样品不同储藏时间存在差异性显著(P<0.05)。*表示相同储藏时间同一淀粉的糊化物与淀粉-月桂酸复合物之间存在显著性差异(P<0.05)，**表示存在极显著差异(P<0.01)。下同。图4 储藏时间对3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物凝胶硬度的影响

2.4 3种晶型淀粉与月桂酸复合的红外光谱

淀粉在1 200～800 cm-1波段的红外光谱可反映其结构的短程有序性，1 047cm-1和1 022 cm-1附近的特征吸收峰分别代表淀粉颗粒中有序结晶区与非结晶区[23]。储藏时间对3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物吸收峰比值(R1 047/1 022)的影响见图5。3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物的R1 047/1 022值在1、7、14 d 3个时间段随储藏时间的增加而显著增大(P<0.01)。相同储藏时间同一种淀粉糊化物的R1 047/1 022值极显著高于相应的淀粉-月桂酸复合物(P<0.01)。这说明3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物在储存期间均逐渐老化，糊化淀粉与月桂酸复合后可以有效抑制淀粉重结晶，延缓糊化淀粉的老化。Yu[10]在研究硬脂酸和海藻酸钠对小麦淀粉回生特性的影响时也有相似实验结果。

3种晶型淀粉糊化物的R1 047/1 022值中玉米淀粉的最大，马铃薯淀粉的最小。这可能是由于马铃薯淀粉的葡聚糖链最长，分支最多，在重结晶过程中阻力最大，而玉米淀粉的葡聚糖链短，在回生过程中淀粉分子更容易自身缔合形成双螺旋结构。

图5 储藏时间对3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物的R1 047/1 022值的影响

2.5 3种晶型淀粉与月桂酸复合的X-射线衍射图

3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物随储藏时间变化的X-射线衍射图(XRD)见图6。样品衍射特征峰位置和相对结晶度检测结果见表2。

从图6和表2可看出，储藏14 d期间玉米淀粉、马铃薯淀粉和锥栗淀粉等3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物的衍射峰均没有发生明显改变。但3种晶型淀粉的糊化物出现衍射峰的位置不一样，其中玉米淀粉在17°和20°处出现，马铃薯淀粉则在15°、17°、20°和22°处，而锥栗淀粉在17°、20°和22°处。17°处的衍射峰为淀粉重结晶的特征峰[24]，20°处的衍射峰为V型复合物的特征峰[25]，其他衍射峰是由于糊化和回生过程中淀粉颗粒内部的堆积状态发生了改变，分子进行重排，从而形成的新衍射峰。衍射峰位置不同的3种晶型淀粉糊化物，却在与月桂酸复合物后，且在1、7、14 d的储藏期间均同时在8°、13°、17°和20°处出现衍射峰。这表明3种晶型淀粉糊化后与月桂酸复合形成了相同的晶型物质。8°、13°、20°处为V型淀粉的特征峰[25]。这说明3种晶型淀粉与月桂酸复合后均形成了V型淀粉。这与Godet等[26]的研究结果一致。

由图6可看出，3种晶型淀粉的糊化物在17°处的衍射峰强度随储存时间的延长而增大，说明淀粉在储存期间发生了重结晶。 Chang[27]等的研究也有类似结论。与淀粉糊化物相比，3种晶型淀粉的淀粉-脂肪酸复合物均在8°和13°处出现新衍射峰，且在20°处的衍射峰增强，表明复合后V型淀粉增多，但在17°处的衍射峰减弱，说明与月桂酸复合阻碍了淀粉的重结晶。淀粉在与月桂酸形成复合物和自身重结晶间存在竞争，糊化后淀粉更倾向形成V型淀粉[28]。

图6 储藏时间对3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物的X-射线衍射图的影响

在14 d储存期间，3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物的结晶度均随着储存时间的延长而显著增大(P<0.05)。这表明糊化后支链淀粉仍在不断地重结晶。3种晶型淀粉形成的淀粉-月桂酸复合物的结晶度显著小于其对应淀粉糊化物，说明与月桂酸复合延缓了淀粉的长期老化。

表2 储藏时间对3种晶型淀粉的糊化物和淀粉-月桂酸复合物相对结晶度的影响

3 结论

玉米淀粉(A型)、马铃薯淀粉(B型)和锥栗淀粉(C型)等3种天然晶型淀粉糊化后与月桂酸形成的复合物在短期老化和长期老化性能方面具有不同的变化规律。无论是否与月桂酸复合，3种晶型淀粉糊化后在2 h内均快速老化，但与月桂酸复合后的G′(t)/ G′(0)值和tanδ值均显著低于和高于对应的淀粉糊化物，表明复合能抑制淀粉短期老化。

当储藏时间从1 d增加到14 d时，3种晶型淀粉的糊化物和对应淀粉-月桂酸复合物的回生热力学曲线、凝胶硬度、红外光谱吸收峰比值R1 047 /1 022、X-射线衍射图的变化规律均表明随着储藏时间延长，淀粉均出现老化现象，但与月桂酸形成复合物后能显著抑制淀粉的老化进程。与糊化物相比，3种晶型淀粉-月桂酸复合物的热力学曲线中于110～120 ℃(峰Ⅳ)处出现新峰，证实淀粉与月桂酸形成了新的复合物。X-射线衍射图的衍射峰显示，在14 d的储藏期，3种晶型淀粉与月桂酸复合后形成了更多的V型淀粉，于17°处的衍射峰减弱，相对结晶度显著降低，因而淀粉的长期老化得到了抑制。